Автоматическая система бесперебойного питания 12 В

Microchip PIC16F688

Общие сведения

В статье мы рассмотрим конструкцию простой и полностью автоматической системы бесперебойного питания 12 В для устройств малой и средней мощности (Рисунок 1). Этот источник питания специально разработан для работы с маршрутизаторами и волоконно-оптическими модемами для обеспечения бесперебойного доступа к сети Интернет и телефонным услугам в районах с частыми перебоями в сети электроснабжения.

Вебинар Экономичные решения МЕAN WELL для надежных разработок - 30.09.2021

Автоматический источник бесперебойного питания 12 В.
Рисунок 1. Автоматический источник бесперебойного питания 12 В.

Блок-схема и основные элементы

Основными блоками (Рисунок 2) автоматического источника бесперебойного питания (ИБП) являются: зарядное устройство с режимом стабилизации выходного напряжения, источник питания 12 В, блок контроля сети переменного тока и герметичный свинцово-кислотный аккумулятор на 12 В большой емкости. Вся система спроектирована с использованием широко распространенных и доступных элементов.

Блок-схема автоматического источника бесперебойного питания 12 В.
Рисунок 2. Блок-схема автоматического источника бесперебойного питания 12 В.

Принципиальная схема автоматического ИБП показана на Рисунке 3. В схеме зарядки аккумулятора применен популярный интегральный регулируемый стабилизатор напряжения серии LM350. Подстроечными резисторами RV2 и RV3 настраиваются режимы быстрой зарядки (fast charging, 14.4 В) и непрерывной подзарядки (trickle charging, 13.6 В). В зависимости от состояния аккумулятора микроконтроллер определит подходящий режим зарядки. В «онлайн» режиме работы ИБП выходное напряжение 12 В для целевого устройства (модем, маршрутизатор) обеспечивается импульсным преобразователем напряжения на микросхеме LM2576-12.

Принципиальная схема автоматического источника бесперебойного питания 12 В.
Рисунок 3. Принципиальная схема автоматического источника бесперебойного питания 12 В.

Микроконтроллер Microchip PIC16F688 контролирует сеть переменного тока, напряжение аккумулятора, управляет режимом работы (выходным напряжением) стабилизатора LM350 и выходным реле. Прошивка микроконтроллера написана с использованием компилятора Microchip XC8. Исходный код и файлы конфигурации доступны в разделе загрузок и в репозитории на GitHub [1].

Герметичный свинцово-кислотный аккумулятор 12 В является наиболее важным компонентом ИБП. Рекомендуется использовать аккумулятор емкостью не менее 9 А·ч. В онлайн режиме выходное напряжение ИБП составляет 12 В. В автономном режиме при полностью заряженном аккумуляторе выходное напряжение составляет 12.5 В.

ИБП подходит для устройств с напряжением питания 12 - 13 В и потребляемым током до 2 А. С конфигурацией, указанной выше, ИБП обеспечивал бесперебойную работу оптоволоконного мрашрутизатора Huawei HG8245H5 более 7 часов.

Рекомендуемый понижающий трансформатор для ИБП должен иметь вторичные обмотки: 15 В×2 (5 А) и 12 В×2 (500 мА).

Стабилизатор напряжения LM350, импульсный преобразователь LM2576 и регулятор напряжения LM7805 должны быть установлены на радиаторы охлаждения. Допускается установка микросхем LM350 и LM2576 на один общий радиатор с применением керамических или слюдяных изоляторов для LM2576.

Микроконтроллер на плате устанавливается в панельку с соответствующим количеством контактов. Это необходимо для выполнения дальнейшей настройки ИБП.

Для получения точных результатов измерений в схеме ИБП рекомендуется использовать металлопленочные резисторы R3, R7 и R8 мощностью 0.25 Вт с допуском 1%. Резисторы R2 и R4 – керамические цементные, мощностью не менее 3 Вт.

Вид тестовой установки ИБП для настройки и проверки.
Рисунок 4. Вид тестовой установки ИБП для настройки и проверки.

Для ИБП в САПР KiCAD разработана односторонняя печатная плата с размерами 131.7 мм × 100 мм, проект которой доступен для скачивания в разделе загрузок. Вид тестовой установки ИБП показан на Рисунке 4.

Настройка и проверка работы

Перед подключением нагрузки и аккумулятора к ИБП необходимо выполнить простую настройку (калибровку) ИБП.

  1. Извлеките микроконтроллер PIC16F688 из панельки и затем включите питание.
  2. Подключите мультиметр к катоду диода D3 (+VBAT).
  3. Замкните контакты 7 и 1 панельки, в которую устанавливается микроконтроллер.
  4. С помощью подстроечного резистора RV2 установите напряжение на уровне 13.6 В.
  5. Теперь замкните контакты 7 и 14 панельки, в которую устанавливается микроконтроллер.
  6. С помощью подстроечного резистора RV3 установите напряжение на уровне 14.4 В.
  7. Обесточьте схему ИБП и установите микроконтроллер в панельку.

После выполнения указанных выше шагов подключите к ИБП аккумулятор, а к отладочному разъему J6 – адаптер USB-UART (версия с напряжением питания 5 В). Подключите адаптер USB-UART к ПК и запустите терминальную программу для соответствующего COM-порта (скорость 1200 бод, 8 бит данных, 1 стоп-бит, аппаратное управление потоком выключено). Подключите мультиметр к клеммам аккумулятора и регулировкой подстроечного резистора RV1 добейтесь отображения в терминальной программе значения напряжения, в 10 раз превышающего показания мультиметра. Например, значение напряжения 12.6 В в терминальной программе будет отображено как 126 (Рисунок 5).

Вывод отладочных данных ИБП в терминальной программе.
Рисунок 5. Вывод отладочных данных ИБП в терминальной программе.

После такой настройки ИБП готов к работе. При первоначальном подключении аккумулятора к ИБП дождитесь полной его зарядки.

Замечание

Эта печатная плата напрямую подключена к сети переменного тока, поэтому всегда соблюдайте необходимые меры предосторожности при измерении напряжений и калибровке.

Ссылки

  1. Страница проекта на сайте github.com

Загрузки

  1. Принципиальная схема, проект печатной платы (KiCAD), исходный код программы микроконтроллера, hex-файл прошивки.

Материалы по теме

  1. Datasheet Diodes 1N5399
  2. Datasheet Fairchild 1N5819
  3. Datasheet ON Semiconductor 1N5822
  4. Datasheet MCC 6A10
  5. Datasheet Fairchild BC547
  6. Datasheet Fairchild BC548
  7. Datasheet ON Semiconductor BD135
  8. Datasheet Texas Instruments LM2576T-12
  9. Datasheet Texas Instruments LM350-N
  10. Datasheet Texas Instruments LM7805
  11. Datasheet First Silicon PC817
  12. Datasheet Microchip PIC16F688
  13. Datasheet Omron G2RL-2-DC12

Перевод: Vadim по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: A simple and fully automatic, 12V uninterruptible power supply system for small/medium power appliances

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

54 предложений от 33 поставщиков
Микропроцессор PIC, Ядро 8bit, 7K-Flash 256B-SRAM 256B-EPROM, 20MHz, 2.0V…5.5V, -40°C…85°CМикроконтроллеры PIC (Peripheral Interface Controller) - это программируемые ППЗУ, имеют малое энергопотребление,...
PIC16F688-I/P
Microchip
112 ₽
PIC16F688-I/SL
Microchip
44 ₽
T-electron
Россия и страны СНГ
PIC16F688-I/SL
Microchip
66 ₽
PIC16F688-I/SL
Microchip
от 90 ₽
Прецизионный высоковольтный операционный усилитель ADA4097−1 с низким потреблением от Analog Devices
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя
Фрагменты обсуждения (только последние 20 сообщений):Полный вариант обсуждения »
  • В этом я не сомневался, написал, чтобы перерисовывали
  • Касаемо 3 пункта. В США средняя точка вторичной обмотки понижающего трансформатора заземлена, но к сути вопроса это не имеет отношения. Теперь задача: Покажите, что левая схема имеет весомые преимущества перед правой схемой.
  • а там особо показывать нечего, осталось привести схему подключения на 110в и учесть, что линия и рабочая нейтраль для сабжа должны быть равнозначны относительно защитного проводника и логичность схемы будет очевидна или нет? надеюсь объяснять, что номинал питания сабжа будет определяется только схемой коммутации первички тр-ра не нужно?
  • Уважаемый [B]DmitriyVDN[/B], Вы не имеете ни малейшего понятия о предмете спора. Хорошо, что я решил почитать оригинал, там автор оценивает аккумулятор в индийских рупиях, адрес автора Maharagama, Sri Lanka. В оригинальной схеме эта часть обозначена как [B]230V[/B] HI-VOLTAGE AREA, и ни о каких сетях США и 110 В не может быть и речи. И я ещё раз поднимаю вопрос: допустимо ли заменить [I]три[/I] варистора [I]двумя[/I]?
  • да, допустимо.
  • На Мальте сети "европейского" типа - 230 В, 50 Гц; розетки - трёхконтактные, наследство от Великобритании, с заземлением. Это и отражено на схеме сабжа. Двух варисторов, последовательно включённых между нулём и фазой, средняя точка соединения которых заземлена, вполне достаточно, чтобы справиться с любыми всплесками напряжения. Такая схема невосприимчива к перемене фазы и нуля местами, может защитить от перенапряжения на фазе относительно земли, равно как и на нуле относительно земли, равно как и между нулём и фазой. Третий варистор, как у автора схемы, избыточен. Именно это я и хотел донести вчера до общественности: И это, очевидно, справедливо и для наших сетей. У кого-то есть возражения?
  • Все эти теоретизирования полезны - но и только. Кому нужен такой блок быстро покупает за 1,5-2 тыр. и он работает спокойно напрягая только аккумулятор, но не мозг...
  • Обсуждаем схемотехнику, разработанную заграничным автором. А в каком устройстве она содержится, как и вопрос о пользе этого устройства - это всё второстепенно. Касаемо пункта 2 Там описано влияние сопротивления проводника до нагрузки на выходное напряжение, это из другой оперы. Теперь поиграем в игру "найди одно отличие"
  • Обсуждаем не схемотехнику, а статью. Нет сравнения с лучшими образцами, нет указаний на преимущества сабжа. Предлагается печатная плата. Чисто для самодельщиков.
  • Учите теорию, батенька. Научитесь различать и понимать ОС по току и напряжению. [b]zznik[/b] прав, это для самодельщиков. Рядовая, проходная статья и обсуждать, по-сути, нечего. С уважением.
  • Аплодирую! Но дискутировать с Вами далее не намерен. С уважением. Касаемо 2 пункта - я считаю, что это нерациональное построение ЗУ, или банальная ошибка. Кто что скажет?
  • В середине (примерно) прошлого века для заряда свинцовых АКБ составляли такую цепь: выпрямитель (иначе - источник напряжения с низким внутренним сопротивлением) - реостат - амперметр - АКБ. В ещё более простых конструкциях можно было заменить реостат резистором. Реостатом можно было вручную поддерживать ток заряда неизменным во время процесса заряда. Современные ЗУ поддерживают ток заряда неизменным до достижения напряжением на АКБ определённого значения. Дальше уже это напряжение поддерживается также неизменным. Здесь, в схеме ИБП, мы имеем стабилизатор напряжения на ИС (с низким внутренним сопротивлением) - резистор - АКБ. Фактически, здесь повторено ЗУ прошлого века, причём, наиболее примитивный его вариант. Ещё раз: имея на руках ИС стабилизатора, являющуюся по сути автоматическим регулятором, способным поддерживать как ток, так и напряжение заряда неизменными, автор схемы строит на ней ЗУ середины (примерно) прошлого века. Одно из двух: или это ноу-хау, имеющее какие-то существенные преимущества, которых я не знаю, или автор схемы - болван. Поскольку ни один из 1000 просмотревших тему не сказал, в чём здесь ноу-хау, делаем вывод, что автор с Мальты - болван. Заодно узнаём, что на форуме есть, как минимум, двое, ему сочувствующих:(
  • Касаемо 4 пункта, обсуждения не нужно, просто объясняю свою точку зрения Сам автор называет это так: "AC line [B]monitoring unit[/B]", и, далее "The PIC16F688 MCU [B]monitors the AC line[/B]". Уважаемые "эксперты" увидели здесь схему ZCD и это верно, здесь есть все детали, характерные для ZCD. А вот то, что здесь ZCD - как телеге пятое колесо, они не увидели:) Всё, что здесь требуется - знать, есть сеть в данный момент времени, или нет. И переключаться между зарядом и разрядом батареи соответственно. Берётся любой незаземлённый вывод любой вторичной обмотки сетевого трансформатора, к ней подключается однополупериодный выпрямитель [B]без сглаживающего фильтра[/B]. Есть сеть - имеем на выходе выпрямителя импульсы-полуволны синусоиды; нет сети - не имеем импульсов-полуволн. Задача решена без использования высокого напряжения и опторазвязки. Я думал, что это видно почти всем, но ошибся.
  • не стоит считать себя умнее других и становится в позу. монитор питания понятие растяжимое и на зеро-кросс может быть повешено все что угодно, начиная от контроля наличия питания , счетчиков времени заряда АКБ и заканчивая системным тиком для юарта и без изучения исходника декларировать седла и оценивать кто-что здесь видит наверно не стоит или нет? ЗЫ тоже самое касается п2
  • _________
  • [B]DmitriyVDN[/B], Вы любитель обобщать. А речь идёт о конкретной конструкции. Вы уже с электросетями США дали маху и что, опять? Если найдётся пытливый ум, изучивший исходный код, я с удовольствием с ним пообщаюсь. Пусть он прольёт свет на алгоритм работы устройства и поставит точку в споре. И пусть докажет мою неправоту. Потому что я в кодах не разбираюсь.
  • Изложено ИМХО правильно, но малость путано. На самом деле всё гораздо проще: существуют два способа заряда свинцовых акку - заряд постоянным напряжением и заряд постоянным током. Первый применялся и применяется до сих пор - в автомобилях. Второй применялся в специальных производственных подразделениях - т.н. аккумуляторных., т.к. в СССР советской наукой было доказано, что заряд током обеспечивает несколько бОльший срок службы аккумулятора, чем заряд напряжением. Ваша ссылка на прошлый век в данном случае более чем уместна, т.к. ни СССР, ни аккумуляторных, ни советской науки давно уже не существует. Мало того, окончательный переход мирового автопрома на систему "3+2" успешно довел аккумулятор до состояния расходника, что предоставляет их изготовителям отличные возможности плевать на их качество, что они повсеместно и делают. Аккумулятор, как и ремень ГРМ, как и тормозные колодки и пр. расходники должен обеспечивать некий срок службы, что вполне удовлетворяет массового пользователя авто. А некогда популярная тема ЗУ потеряла актуальность. Что вовсе не означает запрет ею заниматься, но означает, что любые споры по этой теме априорно лишены смысла окромя доводов типа "А я в трусах сплю" и "Сам дурак". :)
  • Да, я это и имел ввиду - два различных алгоритма заряда свинцовых АКБ. И реализуются "в железе" эти алгоритмы различно. Сетевые ЗУ для автоаккумуляторов дают заряд постоянным (регулируемым) током. Это и современные ЗУ, и самодельные ЗУ из эпохи журнала "Радио", и советские промышленные ЗУ - все они строились, как правило, с транзисторными и тиристорными стабилизаторами. Для таких, как в этом ИБП, герметичных гелевых АКБ тоже есть универсальные ЗУ, типа таких [URL="https://www.chipdip.ru/product/robiton-las12-1000"]https://www.chipdip.ru/product/robiton-las12-1000[/URL] Опять заряд постоянным током. И очень крутые спец. ЗУ тоже умеют заряжать постоянным током, как такие [URL="https://www.chipdip.ru/product/rpb-1600-24"]https://www.chipdip.ru/product/rpb-1600-24[/URL] То бишь, это некий стандарт. И интегральный стабилизатор, типа LMXXX, умеет это делать, и схема есть в даташитах. И заряд постоянным напряжением тоже допустим для гелевых герметичных АКБ. И LMXXX и здесь может работать. Но то, что сделал автор с Мальты, не похоже ни на первое, ни на второе! Для заряда постоянным напряжением дополнительные балластные резисторы не нужны. А для заряда постоянным током они должны включаться иначе (в даташитах это показано). Это что-то промежуточное:)
  • [b]KirillV.[/b], на Мальте свои представления о радиолюбительстве... Т.е. как и в любом другом хобби: главное процесс, а не результат. :) ---------------------------------------------------------------------------------- Кстати, а почему с Мальты? Товарисч Dilshan Jayakody вроде как астроном-радиолюбитель с Шри-Ланки. [url]https://twitter.com/jayakody2000lk[/url]
  • Ой, дико извиняюсь, конечно с Шри-Ланки:( Почему-то о Шри-Ланке думал Вот, а у меня есть планы строить малошумящий лабораторный БП, способный работать без сети, от АКБ. И поэтому погружался в тему корректного заряда этих АКБ, изучал схемы. А тут, смотрю, не на что не похожая схема... Думаю, ошибка? Или ноу-хау какое? А оно вон как оказывается...
Полный вариант обсуждения »